(57)【要約】【課題】運転条件に応じて噴霧角度を大小変化できるようにする。【解決手段】燃料噴射弁１は、噴射弁本体１１の先端部に、針弁１２によって開閉される主開口部１４を有し、その出口側の面に、円板状の第２部材３２が取り付けられる。第２部材３２には、菱形断面で下流側に拡がっていく第２噴孔３４が複数形成され、その上面に、それぞれ円筒形の第１噴孔３３を有する第１部材３１が積層される。第１噴孔３３が第２噴孔３４に合致した初期位置では、第１，第２噴孔３３，３４を通して直線状に噴霧が進む。第１部材３１が燃料噴射弁１の中心側に半径方向に移動すると、噴霧は、その表面張力により第２噴孔３４の長軸の一方の壁面に沿って進もうとし、噴霧の方向が傾いたものとなる。これにより、多数の噴霧からなる燃料噴射弁全体としての噴霧角度が大となる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１噴孔を有する第１部材と第２噴孔を有する第２部材とを備え、
上記第１部材と上記第２部材とを噴孔軸方向に積層した構造を有し、
上記第１噴孔と上記第２噴孔とを連通させて上記第１噴孔に流入した燃料を上記第２噴孔から噴出させるようにした燃料噴射弁であって、
上記第１噴孔と上記第２噴孔との相対位置を変更することにより上記第２噴孔から噴出する噴霧の方向を変化させることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
上記第１部材あるいは上記第２部材を両部材の当接面に沿って移動させることにより上記第１噴孔と上記第２噴孔との相対位置を変更することを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
【請求項３】
上記第１噴孔および上記第２噴孔が上記当接面に対し略垂直方向に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射弁。
【請求項４】
上記第１噴孔あるいは上記第２噴孔の上記当接面側の開口の周囲に凹部が設けられており、この凹部によって、上記第１噴孔と上記第２噴孔とを連通する流路となる間隙が形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料噴射弁。
【請求項５】
上記第２噴孔は、下流側ほど断面積が大きくなる形状を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料噴射弁。
【請求項６】
上記第２噴孔は、その断面において縦方向の寸法がこれと直交する横方向の寸法よりも大きい縦長の断面形状を有することを特徴とする請求項５に記載の燃料噴射弁。
【請求項７】
上記第１噴孔と上記第２噴孔との相対位置の変更が、上記横方向の相対位置変化量に比較して上記縦方向の相対位置変化量が大となる方向に行われることを特徴とする請求項６に記載の燃料噴射弁。
【請求項８】
上記第１噴孔は円筒形状を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料噴射弁。
【請求項９】
上記第２部材は、燃料噴射弁の本体側の一部として固定的に設けられており、この第２部材に対し上記第１部材が相対的に移動することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料噴射弁。
【請求項１０】
板状をなす第２部材に複数の第２噴孔が形成されており、かつこの複数の第２噴孔が、所定半径を有する円の円周上に配置されていることを特徴とする請求項９に記載の燃料噴射弁。
【請求項１１】
複数の第２噴孔と同数の複数の第１部材を備え、各第２噴孔に対し第１部材がそれぞれ配置されるとともに、上記円の半径方向に沿って各第１部材が移動することを特徴とする請求項１０に記載の燃料噴射弁。
【請求項１２】
上記第２噴孔の各々は、その断面において、上記円の半径方向に沿った寸法が上記円の円周方向に沿った寸法より大きい断面形状を有することを特徴とする請求項１１に記載の燃料噴射弁。
【請求項１３】
板状をなす第２部材の上に板状をなす第１部材が積層されているとともに、上記第１部材に、上記第２噴孔に各々対応する複数の第１噴孔が開口形成されており、上記円の中心を中心にして上記第１部材を回動させることを特徴とする請求項１０に記載の燃料噴射弁。
【請求項１４】
上記第２噴孔の各々は、その断面において、上記円の円周方向に沿った寸法が上記円の半径方向に沿った寸法より大きい断面形状を有することを特徴とする請求項１３に記載の燃料噴射弁。
【請求項１５】
筒内直接噴射式内燃機関に用いられるとともに、機関運転条件に応じて上記第１部材を上記第２部材に対し移動させることにより、複数の第２噴孔から構成される噴霧全体の噴霧角度が変化することを特徴とする請求項１０〜１４のいずれかに記載の燃料噴射弁。
【請求項１６】
希薄成層燃焼運転時には上記噴霧角度が小、均質燃焼運転時には上記噴霧角度が大となるように、上記第１部材の位置が制御されることを特徴とする請求項１５に記載の燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の燃料噴射弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関に用いられる従来の燃料噴射弁の一つとして、例えば特許文献１に開示されているように、燃料噴射弁先端部に、複数枚のオリフィスプレートを積層して配置し、そのオリフィスによって、噴霧の微粒化を実現するようにした構成のものが知られている。
【特許文献１】特開平７−１５１０３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来の燃料噴射弁にあっては、噴霧の形状や方向を可変化する要素はなく、運転条件によらず常に一定の噴霧を形成することになるので、必ずしも最適な燃費や排気性能を得られないといった問題がある。
【０００４】
本発明は、噴霧の方向を比較的大きく変化させることができ、かつこの方向の変化を安定的に得ることが可能な新規な燃料噴射弁を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明に係る燃料噴射弁は、第１噴孔を有する第１部材と第２噴孔を有する第２部材とを備え、上記第１部材と上記第２部材とを噴孔軸方向に積層した構造を有し、上記第１噴孔と上記第２噴孔とを連通させて上記第１噴孔に流入した燃料を上記第２噴孔から噴出させるようにした燃料噴射弁であって、上記第１噴孔と上記第２噴孔との相対位置を変更することにより上記第２噴孔から噴出する噴霧の方向を変化させることを特徴としている。
【０００６】
例えば、上記第１部材あるいは上記第２部材を両部材の当接面に沿って移動させることにより上記第１噴孔と上記第２噴孔との相対位置を変更する構成となっている。
【０００７】
上記第１噴孔および上記第２噴孔は、例えば、上記当接面に対し略垂直方向に形成されている。
【０００８】
望ましくは、上記第１噴孔あるいは上記第２噴孔の上記当接面側の開口の周囲に凹部が設けられており、この凹部によって、上記第１噴孔と上記第２噴孔とを連通する流路となる間隙が形成されている。
【０００９】
また望ましくは、上記第２噴孔は、下流側ほど断面積が大きくなる形状を有している。
【００１０】
例えば、上記第２噴孔は、その断面において縦方向の寸法がこれと直交する横方向の寸法よりも大きい縦長の断面形状を有している。この場合、望ましくは、上記第１噴孔と上記第２噴孔との相対位置の変更が、上記横方向の相対位置変化量に比較して上記縦方向の相対位置変化量が大となる方向に行われる。
【００１１】
これに対し、上記第１噴孔は、例えば、円筒形状を有している。
【００１２】
また例えば、上記第２部材は、燃料噴射弁の本体側の一部として固定的に設けられており、この第２部材に対し上記第１部材が相対的に移動する構成とすることができる。
【００１３】
本発明は、第２噴孔を通過する流体（燃料）の表面張力による第２噴孔内壁面への引き寄せ作用を利用したものであり、第１噴孔が第２噴孔に対し直列に整列している状態、つまり第１噴孔と第２噴孔とが合致した位置にある状態では、第１噴孔を通過した流体の流れが、第２噴孔を真っ直ぐに通過する。つまり、噴霧は曲がることなく直線状に進行する。これに対し、第１噴孔が第２噴孔に対して相対的に一方へ移動すると、第１噴孔を通過した流体の流れが第２噴孔の反対側の方向へ向かうようにして第２噴孔に流入する。この結果、第２噴孔を通過する流体の流れは、第２噴孔の内壁面の中で上記の反対側の方向となる部分の壁面に、表面張力により付着しようとして、その方向が曲げられる。つまり、噴霧は、上記の第１噴孔の移動方向と反対側の方向へ曲がる。
【００１４】
第２噴孔を徐々に断面積が大きくなるようにすれば、その傾斜した壁面に沿って噴霧が曲がるので、より明確にかつ安定的に噴霧の方向を変化させることができる。
【００１５】
本発明は、第１，第２噴孔が１つ、つまり噴霧が１本のみの構成とすることも可能であるが、複数の噴孔による複数本の細い噴霧の集合として燃料噴射弁の全体的な噴霧を構成する多噴孔の燃料噴射弁とすることもできる。
【００１６】
例えば、板状をなす第２部材に複数の第２噴孔が形成されており、かつこの複数の第２噴孔が、所定半径を有する円の円周上に配置されている。
【００１７】
そして、この場合の一つの態様では、複数の第２噴孔と同数の複数の第１部材を備え、各第２噴孔に対し第１部材がそれぞれ配置されるとともに、上記円の半径方向に沿って各第１部材が移動するように構成される。
【００１８】
上記第２噴孔の各々は、その断面において、上記円の半径方向に沿った寸法が上記円の円周方向に沿った寸法より大きい断面形状を有することが望ましい。
【００１９】
従って、複数の第１部材を上記の円の半径方向に動かすことで、第２噴孔を通過する個々の噴霧の方向が上記の半径方向に沿って変化し、燃料噴射弁全体としての噴霧の噴霧角度が、大小変化する。
【００２０】
また他の態様では、板状をなす第２部材の上に板状をなす第１部材が積層されているとともに、上記第１部材に、上記第２噴孔に各々対応する複数の第１噴孔が開口形成されており、上記円の中心を中心にして上記第１部材を回動させるようになっている。
【００２１】
上記第２噴孔の各々は、その断面において、上記円の円周方向に沿った寸法が上記円の半径方向に沿った寸法より大きい断面形状を有することが望ましい。
【００２２】
従って、この場合は、第１部材を上記の円の円周方向に変位させることで、第２噴孔を通過する個々の噴霧の方向が上記の円周方向に沿って変化し、やはり燃料噴射弁全体としての噴霧の噴霧角度が大小変化する。
【００２３】
このような燃料噴射弁は、例えば、筒内直接噴射式内燃機関に好適であり、機関運転条件に応じて上記第１部材を上記第２部材に対し移動させることにより、噴霧全体の噴霧角度を変化させることができる。特に、希薄成層燃焼運転時には上記噴霧角度が小、均質燃焼運転時には上記噴霧角度が大となるように、上記第１部材の位置を制御することによって、噴霧角度を最適化できる。  
【発明の効果】
【００２４】
この発明によれば、第１部材と第２部材との相対位置の僅かな変更によって噴霧の方向を比較的大きく変化させることができ、かつこの方向の変化を安定的に得ることが可能となる。
【００２５】
そして、例えば円周上に配置した複数の噴霧の方向を一斉に変化させることで、燃料噴射弁全体としての噴霧角度を大小変化させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２７】
始めに、図１に基づいて、本発明に係る燃料噴射弁が用いられた筒内直噴式ガソリン機関の構成を説明する。図示するように、シリンダヘッド５１と、シリンダブロック５２のシリンダ５３と、ピストン５４と、によって燃焼室５５が形成されている。この燃焼室５５は、吸気弁５６を介して吸気ポート５７と連通し、排気弁５８を介して排気ポート５９と連通している。吸気弁５６は、吸気弁用カムシャフト７１によって開閉駆動され、排気弁５８は、排気弁用カムシャフト７２によって開閉駆動される。
【００２８】
上記燃焼室５５の上面つまりシリンダヘッド５１側の天井面の略中心位置に、ピストン５４ヘ向かって燃料を噴射する本発明に係る燃料噴射弁１が設けられている。この燃料噴射弁１の噴霧中心線は、シリンダ中心軸線と一致している。そして、この燃料噴射弁１に隣接して点火プラグ６２が配置されており、その先端の電極部が燃焼室５５中央付近に位置している。上記の燃料噴射弁１および点火プラグ６２は、エンジンコントロールユニット７３からの信号に基づいて制御され、機関運転条件に応じた時期に、燃料噴射および点火が行われる。ここで、上記燃料噴射弁１には、図示しない高圧燃料ポンプにより加圧された比較的高い圧力の燃料がプレッシャレギュレータ（図示せず）により所望の燃料噴射圧力に調圧された上で導入され、燃料噴射弁１が開弁したときに噴射されるようになっている。
【００２９】
また、上記燃料噴射弁１と対向するように、ピストン５４の冠面の中心位置に、略円筒状のキャビティ６３が形成されている。このキャビティ６３は、リエントラント型をなし、成層燃焼時には、主としてキャビティ６３内およびその上空に、成層混合気が形成される。
【００３０】
このように構成されたガソリン機関では、主に圧縮行程中（特に、圧縮行程後半）に燃料噴射を行うことで成層燃焼運転を実現し、燃費を向上させるリーン混合気による運転が可能である。そして、高負荷域では、吸気行程中に燃料噴射を行うことで、均質燃焼運転となる。特に、上記燃料噴射弁１は、後述するように、噴霧角度が大小に切り換えられる構成となっており、図２に示すように、低速低負荷域での希薄成層燃焼運転時には、（ａ）のように噴霧角度を小としてキャビティ６３を指向した噴射を行い、成層燃焼運転時には、（ｂ）のように噴霧角度を大としてシリンダ５３内に広く拡散した噴射を行うようになっている。（ａ）のように噴霧角度を小さくすることで、噴霧の貫徹力が強くなり、良好な成層化が図れる。また、均質燃焼時には噴霧角度を大とすることで、短い時間で混合気の混合が図れ、高出力化の上で有利となる。
【００３１】
図３〜図５は、本発明に係る燃料噴射弁１の第１実施例を示す。この燃料噴射弁１は、有底円筒状の噴射弁本体１１を主体とするもので、図示するように、噴射弁本体１１の先端中心に円形断面の主開口部１４が開口形成されており、この主開口部１４の入口部の周囲に、すり鉢状のテーパ面からなるシート部１４ａが形成されている。噴射弁本体１１内部の中心には、円柱状の針弁１２が軸方向に移動可能に配設され、その先端の円錐形のテーパ部が上記シート部１４ａに着座することで、上記主開口部１４を閉塞している。上記針弁１２は、圧電素子からなるアクチュエータ１３により作動するものであり、噴射弁本体１１に対し移動可能な円板状の隔壁部１８を介して針弁１２基端とアクチュエータ１３先端とが連結されている。隔壁部１８と噴射弁本体１１内周面との間はシールリング１９によってシールされている。上記針弁１２の周囲には、燃料入口２１を通して、図外の燃料ポンプにより加圧された高圧の燃料が導入されている。圧電素子を利用した上記のアクチュエータ１３は、リード線２０を介して所定の電圧が印加されると、その全長が僅かに収縮するので、これに伴って針弁１２がリフトし、主開口部１４が開かれて燃料噴射が行われる。
【００３２】
上記主開口部１４の前面つまり出口側の面には、平坦な円板状をなす第２部材３２が取り付けられている。この第２部材３２には、図４に示すように、複数の第２噴孔３４が貫通形成されており、これらの第２噴孔３４は、針弁１２や主開口部１４と同心の所定半径を有する円の円周上に等間隔で配置されている。また、この第２部材３２の上面つまり上流側の面には、各第２噴孔３４をそれぞれ覆うように、複数の第２噴孔３４と同数の第１部材３１が積層されており、各第１部材３１に、上記第２噴孔３４と連通する第１噴孔３３が貫通形成されている。上記第１部材３１は、図５に示すように、円形の第２部材３２の上に放射状に配置されているとともに、第２部材３２の半径方向に沿って移動可能となっている。そして、電動ないしは油圧駆動等の適宜なアクチュエータ３５によって、複数の第１部材３１が上記の半径方向に一斉に動かされる構成となっている。図５の例では、径が拡大・縮小する環状の中間部材３６を介して単一のアクチュエータ３５によって複数の第１部材３１が同時に駆動される。
【００３３】
後述するように、上記第１噴孔３３は単純な円筒形をなし、かつ上記第２噴孔３４は、断面が菱形で下流側へ向かって徐々に断面積が拡大する形状をなしているが、これらの軸中心は、上記第２部材３２の上面つまり第１，第２部材３１，３２の当接面に対し垂直となっている。そして、各第１部材３１が初期位置にあるときには、第１噴孔３３と第２噴孔３４とが互いに合致つまり直線状に整列した位置となり、両者を通して噴霧が真っ直ぐに進行する。つまり、複数本の細い噴霧が針弁１２の中心線と平行な方向に形成され、燃料噴射弁１全体としての噴霧角度は小さくなる。これに対し、各第１部材３１が初期位置から燃料噴射弁１の中心側へ移動すると、第１噴孔３３が第２噴孔３４に対し相対的に半径方向内側へ変位し、後述するように、両者を通して生じる噴霧が、半径方向外側へ傾いて進行する。従って、複数の細い噴霧が全体として円錐形に拡がるように形成され、燃料噴射弁１全体としての噴霧角度が大となる。
【００３４】
次に、各噴孔３３，３４の詳細を説明する。図６は、第１噴孔３３および第２噴孔３４を、両者が互いに合致した初期位置にある状態において示した断面図であり、特に、（ａ）は上記の円の半径方向に沿った断面を示し、（ｂ）はこれと直交する面つまり上記の円の円周方向に沿った断面を示している。また、図７は、これらの噴孔３３，３４によって構成される流路を示しており、この図７では、第２噴孔３４が第１噴孔３３に対し上記の円の半径方向に変位している。
【００３５】
これらの図に示すように、第１噴孔３３は単純な円筒形をなし、上記第１部材３１を垂直に貫通している。そして、上記第１部材３１の当接面側に、上記第１噴孔３３の開口を含む浅い凹部が形成されており、これによって、第１噴孔３３と第２噴孔３４とを連通する流路となる間隙３８が、周囲を囲まれた形で形成されている。上記の間隙３８は、第１部材３１の移動方向に沿って長く形成されており、従って、第１部材３１が上記の半径方向に変位しても、第１噴孔３３と第２噴孔３４との連通が十分に確保される。なお、この間隙３８つまり凹部は必ずしも必須のものではない。第２噴孔３４は、断面が菱形をなし、下流側へ向かって徐々に断面積が拡大する形状をなす。つまり、第２噴孔３４の内壁面は、４つの平面からなり、各平面が、第２噴孔３４の中心線に対し傾斜している。そして、上記の菱形の長軸が上記の円の半径方向に沿っており、菱形の短軸が上記の円の円周方向に沿っている。従って、上記第１噴孔３３は、第１部材３１の移動に伴い、上記第２噴孔３４の菱形の長軸方向に沿って移動する。ここで、図７に示す長軸方向に沿った一対の稜線（実際には谷線となる）３４ａの拡がり角度αは、第１部材３１の移動により噴霧が傾いたときの噴霧の方向を規定するものであり、噴霧を大きく傾斜させたい場合には、この拡がり角度αを大きく設定すればよい。なお、この拡がり角度αは必ずしも対称形である必要はなく、非対称であってもよい。
【００３６】
図８は、第１噴孔３３と第２噴孔３４とが合致した基準位置（ａ）から第１部材３１を一定の微小量（５μｍ）ずつ移動させたときの噴霧の状態を示している。図示するように、両噴孔３３，３４が直線状に合致している状態では、第１噴孔３３を通過した燃料が第２噴孔３４を真っ直ぐに通過し、直線状の噴霧となる。換言すれば、噴霧は、長軸方向の稜線３４ａからは離れている。これに対し、第１噴孔３３が第２噴孔３４の入口部に対し偏心すると、燃料流が第２噴孔３４の入口部に斜めに進入しようとし、ある段階、具体的には図（ｃ）から（ｄ）の間で、流体の表面張力により第２噴孔３４の長軸方向の一方の壁面（実際には２つの平面からなる）に付着するため、噴霧は、その稜線３４ａに沿って進行するようになる。つまり、噴霧の方向がオンーオフ的に変化することになる。
【００３７】
なお、短軸方向については、その短軸方向の一対の稜線３４ｂの拡がり角度が十分に小さいことから、両噴孔３３，３４が合致している状態にあっても、燃料流は短軸方向の壁面に引き寄せられ、一対の稜線３４ｂに沿って拡がる。つまり、第１部材３１の位置に拘わらずに短軸方向には僅かに拡がった噴霧が得られ、これによって適宜な燃料の微粒化が行われる。
【００３８】
第２噴孔３４の断面形状を菱形に代えて楕円形とすることもでき、この場合も、図８と同様の噴霧が得られる。
【００３９】
なお、図８に示した噴霧形状はシミュレーションによるものであり、その解析の基礎となる格子点を図７に細線でもって示してある。
【００４０】
次に、図９は、第１部材３１および第２部材３２の構成を変更した本発明の第２実施例を示している。この第２実施例においては、上記主開口部１４の前面つまり出口側の面に、平坦な円板状をなす第２部材３２が取り付けられているとともに、この第２部材３２の上面つまり上流側の面に、第２部材と同心の平坦なリング状をなす第１部材３１が積層されている。上記第２部材３２には、図示していないが、前述した第１実施例と同様に、針弁１２と同心の円の円周上に沿って等間隔に配置された複数の第２噴孔３４が貫通形成されている。上記第１部材３１には、上記の第２噴孔３４と各々対応するように、複数の第１噴孔３３が貫通形成されている。そして、電動ないしは油圧駆動等の適宜なアクチュエータ３５によって、リング状の第１部材３１がその円周方向に移動する構成となっている。なお、上記第１噴孔３３および上記第２噴孔３４の基本的な形状は、前述した第１実施例のものと変わりがないが、上記のように第１噴孔３３と第２噴孔３４とは針弁１２の円周方向に沿って相対位置が変位するので、上記第２噴孔３４は、その菱形断面の長軸が上記円周方向（つまり接線方向）に沿うように形成されている。
【００４１】
従って、リング状の第１部材３１が第２部材３２に対し初期位置から円周方向に変位した状態では、個々の噴霧が上記の接線方向に沿って傾いたものとなり、この結果、第１実施例と同様に、燃料噴射弁１全体として噴霧角度が拡大する。
【００４２】
なお、上記各実施例は、複数本の噴霧を形成する多噴孔の燃料噴射弁に本発明を適用した例を示しているが、本発明はこのような多噴孔のものに限られず、いわゆる単噴孔の燃料噴射弁としても構成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の燃料噴射弁を備えた筒内直噴式ガソリン機関の概略断面図。
【図２】噴霧角度を小としたときの噴霧形状（ａ）と噴霧角度を大としたときの噴霧形状（ｂ）とを示す説明図。
【図３】本発明に係る燃料噴射弁の第１実施例を示す断面図。
【図４】その先端部の断面図。
【図５】第１部材および第２部材の斜視図。
【図６】第１噴孔および第２噴孔の詳細を示し、（ａ）は菱形断面の長軸方向に沿った断面図、（ｂ）は短軸方向に沿った断面図。
【図７】第１噴孔および第２噴孔の斜視図。
【図８】第１部材を微小量ずつ移動させたときの噴霧の変化を示す説明図。
【図９】燃料噴射弁の第２実施例の要部を示す斜視図。
【符号の説明】
【００４４】
１…燃料噴射弁
１１…噴射弁本体
１２…針弁
１４…主開口部
３１…第１部材
３２…第２部材
３３…第１噴孔
３４…第２噴孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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